Определение надежности усточивого состояния внешних отвалов накануне их рекультивации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение надежности усточивого состояния внешних отвалов накануне их рекультивации

Е.А. Несмашный,

Д.А. Шевченко

Криворожский технический университет, Кривой Рог

Разработана, на основании концепции наислабейшего звена, методика расчета надежности устойчивого состояния внешних отвалов. Приведены результаты расчета надежности отвала № 3 ИнГОКа для дальнейшего использования при его горнотехнической рекультивации.

В Криворожском регионе накоплен ряд значительных экологических проблем, одной из которых является очень низкие темпы рекультивации земель. Сегодня 63,5 тыс. га земельного отвода принадлежит горнорудным предприятиям, из которых нарушено горными работами более 46,5 тыс. га (72,4%), а рекультивировано только 9,6 тыс. га (20%) [1].

Использование этих территорий в последующем должно рассматриваться с позиций устойчивого развития региона. Эти земли могут быть использованы для рекультивации и возвращения их в сельскохозяйственное производство, либо для формирования на них природоохранных объектов. Однако, в любом случае на них должны быть исключены деформационные процессы.

Современные требования, в частности, к рекультивации нарушенных земель на карьерах базируются на научном подходе, который предусматривает:

детальный анализ инженерно-геологических и гидрогеологии условий района, где запланированные работы по рекультивации;

оценку и расчеты степени устойчивости бортов отвала и отдельных его ярусов с учетом рисков их деформации с течением времени.

При условии, что расчетная степень устойчивости бортов отвала и отдельных его ярусов, на протяжении прогнозируемого времени в 5 - 10 лет, не будет ниже нормативных значений, то данный объект может быть задействован под рекультивацию.

В другом случае, когда расчетная степень устойчивости бортов отвала и отдельных его ярусов, на протяжении прогнозируемого времени в 5 - 10 лет, будет ниже нормативных значений, что предусматривает выполнение соответствующих горных работ, а уже потом решать вопрос о рекультивации данного объекта.

В последние годы руководством Ингулецкого ГОКа уделяется особенное внимание вопросу рекультивации нерабочих зон на внешних отвалах. Поэтому примером применения подобных исследований может служить отвал № 3 ИнГОКа.

Внешний отвал №3 расположен на правом берегу г. Ингулец и примыкает непосредственно к северо-восточному борту карьера ИнГОКа. Отсыпание отвала осуществлялось экскаваторами, транспортирования проводится железнодорожным транспортом. Тело отвала составляют вскрышные породы смешанного состава.

Существующие в настоящее время нормативные документы рекомендуют использовать для практического проектирования параметров открытых горных выработок методы расчета их устойчивости, основанные на теории предельного равновесия сыпучих сред [2]. Однако использование данной теории для описания механических процессов в реальных массивах не может быть признано достаточно обоснованным [3].

Такой подход не позволяет учесть объективно существующую дисперсию прочностных свойств породного массива и является в значительной мере устаревшим. Современное материаловедение характеризуется искоренением из практического проектирования различного рода коэффициентов запаса; широким использованием таких параметров как надежность и норма риска и других основополагающих критериев прикладной теории надежности.

Имея экономически обоснованные нормативы надежности Н_опт устойчивого состояния ярусов и борта отвала № 3 и расчетное значение надежности их устойчивого состояния Н, значение оптимального угла наклона _опт этих выработок (при условии, что высота выработки не изменяется), может быть определено из следующего аналитического выражения:

(1)

где Н_опт - норматив надежности устойчивого

состояния выработки, доли ед.; H - надежность устойчивого состояния выработки при некотором угле откоса , доли ед.; _з - коэффициент вариации коэффициента запаса устойчивости по наиболее опасной поверхности сдвижения в породном массиве, доли ед.

На основе формулы (1), по определенным расчетным сечениям (рисунок 1 и 2) выполнены и приведены в таблице 1, результаты расчетов оптимальных углов наклона борта нерабочей зоны внешнего отвала № 3 ИнГОК.

Рисунок 1 - Фрагмент плана отвала № 3

Рисунок 2 - Фрагмент плана отвала № 3 с линией разреза, м.о. 69-90 с линией разреза, м.о. 77-84

Использование понятия о надежности устойчивого состояния породных откосов позволяет не только численно оценить степень их устойчивости, но и прогнозировать закономерность ее изменения во времени.

В работе [4] показано, что вследствие снижения прочностных характеристик горных пород под действием сейсмических и гравитационных нагрузок, надежность устойчивого состояния породных откосов внешних отвалов будет снижаться со временем в соответствии с экспонентной зависимостью вида (2), а рост риска деформирования внешнего отвала будет происходить со временем в соответствием с экспонентной зависимостью вида (3):

; (2)

; (3)

где H - надежность устойчивого состояния внешнего отвала, доли ед.; R - риск деформирования внешнего отвала, доли ед.; t - его время эксплуатации, месяц; , - эмпирические коэффициенты.

Полученная закономерность для Ингулецкого борта отвала в целом, аппроксимируется уравнением связи вида (4):

; (4)

Достоверность аппроксимации данной экспоненты составляет R² = 88,68 %.

Для отдельных ярусов отвала закономерность изменения надежности устойчивого состояния будет аппроксимироваться уравнением святи:

; (5)

Достоверность аппроксимации данной экспоненты составляет R² = 94,24 %.

Таблица 1- Результаты расчета оптимальных углов наклона борта отвала № 3

На рисунках 3 и 4 соответственно представлена графическая интерпретация экспоненты вида (4) и (5).

Использовав эмпирические закономерности вида (4) и (5) нами сделаны расчеты и выполнена прогнозная оценка степени устойчивости ярусов и борта отвала № 3 на ближайшие 5 и 10 лет. Результаты такой оценки приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Прогнозные значения степени устойчивости борта отвала № 3 через 5 и 10 лет

Анализ результатов расчетов дает возможность отметить:

расчетные значения оптимальных углов откоса ярусов и борта отвала № 3, по всем расчетным сечениям, на 1-13 градусов больше их фактического угла наклона;

через 5 лет прогнозируемый уровень надежности устойчивого состояния борта отвала № 3 можно ожидать выше нормативных параметров на 2%, а ярусов отвала - на 2-12%;

через 10 лет прогнозируемый уровень надежности устойчивого состояния борта отвала № 3 ожидается ниже нормативных параметров на 2 - 4%, а ярусов отвала - на 2 - 10%. Однако этот неблагоприятный прогноз не свидетельствует о том, что степень устойчивости ярусов и борта отвала № 3 со временем может снизиться ниже допустимого уровня.

Во-первых, в наших расчетах не учтено явление реологической консолидации отвальных пород, которое будет происходить со временем, и приведет к существенному снижению весовой и поровой воды в этих породах и в соответствии с увеличением их прочностных параметров, а значит и к увеличению степени устойчивости, как отдельных ярусов, так и всего борта отвала в целом.

Во-вторых, достоверность эмпирических закономерностей вида (2-4) не превышает 88%, то есть ошибка может составить около 12 % и значит, она превышает величину ожидаемого снижения (не более 10 %) прогнозируемого уровня устойчивости отдельных ярусов и борта отвала ниже нормативных параметров. рекультивация земля горный отвал

Таким образом, на основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

нынешняя надежность устойчивого состояния ярусов и борта нерабочей зоны отвала № 3, по всем расчетным сечениям, выше нормативных параметров, а значит проведение выполаживания откосов данных объектов, как это предусмотрено проектом рекультивации, с точки зрения повышения их устойчивого состояния не имеет никакого смысла;

учитывая то, что долговременный прогноз (более 5 лет) снижения надежности устойчивого состояния ярусов и борта нерабочей зоны отвала № 3 является неблагоприятным и то, что достоверность такого прогноза на срок более 5 лет является низкой, считаем целесообразным в дальнейшем провести дополнительные реологические исследования на данных объектах с целью существенного улучшения достоверности прогноза изменения со временем степени устойчивости этого объекта.

Перечень ссылок

Рекультивация земель, нарушенных в результате добычи полезных ископаемых (период до 2010 года). Рабочий проект. - 95089-0170.ПЗ. - Т.1. - Кривой Рог, 2004. - 48 с.

Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. - М.: Гостехиздат, 1954. - 207 с.

Ржевский В.В. О научных основах расчетов давления горных пород // Изв. ВУЗов. Горный журнал. - 1982. - № 6; № 7.

Несмашный Е.А. Оптимизация геометрических параметров открытых горных выработок - Кривой Рог: Изд-во Минерал, 1999. - 118 с.

Размещено на Allbest.ru